JP4245240B2 - ポンプ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、流体を圧送するポンプ装置に関し、特に、運転範囲の拡大を目的として開発された二重反転ポンプを用いたポンプ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のターボ形ポンプでは、低流量域においては剥離・逆流に起因する失速現象が生じ、また高流量域ではキャビテーション現象に起因する揚程低下が生じ、ポンプの運転範囲が制限されるという問題を生じることが知られている。
【0003】
一方、小型化や簡素化を目的として二重反転ポンプが提案されている。図1は従来の二重反転ポンプの性能特性を説明するための図で、記号Vは流れの絶対速度、Wは流れの相対速度、Uは羽根車の周速度、添字Fは前段羽根車、添字Rは後段羽根車、添字1,2,3,4は各々前段羽根車入口、出口、後段羽根車入口、出口を示す。また、添字dは設計点、添字Lは大流量点、添字Sは低流量点を意味する。
【0004】
流量が設計点よりも減少した場合には、後段の流入相対速度WS3が著しく増大し、後段羽根車が過負荷となり失速を生じやすい状況となる。また、後段羽根車出口の絶対速度VS4は顕著な周方向速度成分を有しており、この速度成分の動圧はポンプ装置下流で混合損失として失われるので、ポンプ全体性能も低下する。一方、流量が設計点よりも増大した場合には、前段の流入相対速度Wl1が増大し、前段羽根車の入口部で静圧が顕著に低下し、キャビテーション現象を生じて性能の顕著な低下を生じる。また、後段羽根車出口の絶対速度VL4は周方向速度成分を有しており、下流での混合損失が増大する。すなわち、従来の二重反転ポンプでは、広い運転範囲で良好なポンプ性能を得るという目標は達成されない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、二重反転ポンプにおいて、低流量域における失速現象の発生を遅延し、また高流量域におけるキャビテーション現象の発生を抑制することにより、広い運転範囲での安定な運転を実現することを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、ポンプケーシング内に互いに周方向逆向きに回転する一組の羽根車が同軸に配置されたポンプ部と、内外二重回転子形電動機を有する駆動モータ部とを備え、前記一組の羽根車はそれぞれ前記駆動モータ部の内外の各回転子に結合されて駆動され、内側回転子に接続された羽根車系と外側回転子に接続された羽根車系との慣性質量を調整するための質量調整機構が設けられていることを特徴とするポンプ装置である。
【0007】
これにより、内外二重回転子形電動機の備えている、内外の回転子に作用するトルクが一致するという特性を活用し、二重反転ポンプにおける低流量域における失速現象の発生と、高流量域におけるキャビテーション現象の発生を自動的に抑制し、より広い運転範囲でのポンプ装置の安定な運転を実現することができる。
【0008】
請求項2に記載の発明は、内側回転子に接続された羽根車に作用する駆動トルクと、外側回転子に接続された羽根車に作用する駆動トルクとをバランスさせるトルクバランス機構が設けられていることを特徴とする請求項1記載のポンプ装置である。トルクバランス機構としては、軸受トルクや風損などを調整する機構が挙げられる。
【0009】
これにより、内外の羽根車に負荷される動的なトルクをバランスさせて、設計点における前段羽根車と後段羽根車の回転数を同一とし、設計速度三角形を正確に実現することができる。
【0010】
前記質量調整機構としては、いわゆるバランスウエイトのような機械的に調整可能なものでよい。本発明は、流れ場の変化に起因して生じる回転数変化を利用しており、現象に応じて応答特性を制御することにより、一層好ましい性能特性を実現することができる。
【0011】
前記質量調整機構を設けることにより、流れ場の急変とそれに起因したトルク変動から生じる、前段及び後段羽根車の回転数変化に関し、トルク変動に対する回転数変化の追随性を調整することができる。
【0012】
請求項3に記載の発明は、羽根車に作用するトルクの変動に対して羽根車回転数を変化させてポンプの運転状態を安定化する制御機構が設けられていることを特徴とする請求項1又は2記載のポンプ装置である。
【0013】
請求項4に記載の発明は、前記制御機構は、羽根車に作用するトルクの変動に対する羽根車回転数の変化の敏感さを示す感度パラメータを制御要因として使用することを特徴とする請求項3に記載のポンプ装置である。
【0014】
【発明の実施の形態】
図2は、本発明の二重反転ポンプの1つの実施の形態を示すもので、ポンプケーシング内に、前段羽根車2と後段羽根車3を有する軸流型の二重反転ポンプが構成されたポンプ部1と、これに継手部Cを介して結合された内外回転子形電動機を有する駆動モータ部4とを備えている。この事例では、前段羽根車2は内側回転子5に、また、後段羽根車3は外側回転子6に接続されている。
【0015】
この実施の形態においては、設計運転状態における内外回転子の慣性モーメントとトルク特性を同一とするために、内外回転子形電動機部の内側回転軸の反ポンプ側に、付加慣性モーメントと風損調節装置7が接続してある。これにより、前段羽根車に作用するトルクと後段羽根車に作用するトルクの大きさが等しく、かつ両羽根車の回転数の総和が一定となる特性を有している。こうした特性の結果として、下記に記述するように広い運転範囲で良好な性能特性を有するポンプ装置を提供することができる。
【0016】
図3及び図4は本発明の二重反転ポンプの性能特性を説明するための図で、破線により設計点での速度三角形を、実線により低流量域あるいは大流量域での速度三角形を示している。なお、簡単のため、翼列出口における角超過は一定で、翼列流出角度は流量に依存せず一定であると仮定している。この時、前段翼列に対するオイラーの式によれば、運転流量にかかわらず次式が常に成立する。
UFVe2−UFVe1=ωFTF (1)
【0017】
ここにおいて、Veは絶対速度の羽根車回転方向の速度成分、Tは羽根車翼列に作用するトルク、ωは羽根車の回転角速度である。前段羽根車入口では、予旋回速度Ve1=0であり、また内外回転子形電動機で駆動される本発明の二重反転羽根車の特性として、TF=−TRであるので、
UFVe2=ωFTF=UFTF/rF (2)
Ve2=−TR/rF (3)
が成立する。
【0018】
一方、後段羽根車に対するオイラーの式によれば、
URRe4−URVe3=ωRTR (4)
であり、また前段羽根車出口流れの旋回速度と後段羽根車入口流れの旋回速度は等しいので、式(4)においてVe2=Ve3と置けば、
URRe4−URVe2=ωRTR
URRe4=URVe2+ωRTR
=URVe2+URTR/rR (5)
【0019】
さらに、式(3)の関係を代入すれば、
URRe4=−URTR/rF+URTR/rR (6)
となる。軸流形ターボ機械の翼列では、一般にrF=rRであるので、式(6)は、
URRe4=0 (7)
となる。すなわち、本発明における二重反転ポンプでは、後段羽根車の出口旋回速度が、運転条件にかかわらず常にゼロとなり、従来の二重反転ポンプ装置において発生していた、後段羽根車下流での混合損失を低減することが可能である。
【0020】
以下、図3の二重反転翼列における速度三角形に基づいて、低流量域における本発明のポンプ翼列の性能特性を説明する。流量が設計点より減少すると、後段翼列における入口絶対旋回速度が増大し、後段翼列における角運動量変化が増大し、これに伴い翼列に作用するトルクも増大しようとする。この時、本発明の二重反転ポンプ装置では、前後段羽根車のトルクが同一となるように、後段翼列の回転速度URが低下し、その低下分だけ前段翼列の回転速度UFが増大する。この結果、後段翼列における角運動量変化が軽減され、後段翼列において発生する可能性のある流れの失速現象の発生が抑制される。さらに流量が減少し、前段羽根車に剥離・逆流が生じるようになると、前段羽根車の回転トルクが増大するので、後段羽根車は回転速度を増して角運動量変化を増大させるが、その分だけ前段羽根車の回転数は減少して前段羽根車での剥離は抑制される。
【0021】
次に、図4に示す速度三角形に基づいて、大流量域における本発明のポンプ翼列の性能特性を説明する。流量が設計点より増大すると、前段翼列における入口相対速度が増大し、前段翼列入口部におけるキャビテーション発生の危険性が増大すると共に、相対的に前段翼列における角運動量変化が増大し、これに伴い、前段翼列に作用するトルクも増大しようとする。この時、本発明の二重反転形ポンプ装置では、前後段のトルクが同一となるように、前段翼列の回転速度UFが低下し、後段翼列の回転速度URが増大する。この結果、前段翼列における入口相対速度の増大が軽減され、あたかも前段翼列が後段翼列に対するインデューサであるかのように作用し、結果的にポンプ装置全体として低吸込圧時にキャビテーションによる揚程低下を生じにくい性能特性を実現することができる。
【0022】
以上をまとめれば、(1)低流量域においては後段羽根車における回転数が減少し、後段羽根車における失速の発生を遅延し、前段羽根車に剥離・逆流が生じるような極低流量域においては前段羽根車の回転数が減少して前段羽根車での剥離を抑制し、(2)大流量域においては前段羽根車における回転数が減少し、後段翼列に対するインデューサ的に作用する結果、ポンプにおけるキャビテーション発生に起因する性能低下を抑制し、また(3)常に後段羽根車出口における絶縁旋回速度がゼロとなることにより、ポンプ出口にガイド翼を設けることなしに、ポンプ下流における旋回速度の混合損失の発生を抑制してポンプを高効率化することができる。すなわち、本発明によれば、低流量域と大流量域における運転範囲を拡大すると共に、ポンプ効率の改善を実現することができ、工業的に極めて有用なポンプを提供することができる。
【0023】
ここで、付加慣性モーメントと風損調節装置7を具備するトルクバランス機構について説明する。回転軸に作用するシール摩擦、ベアリング摩擦、風損などによるトルクは、一般に内側回転子に作用するものと外側回転子に作用するものでは一致していない。このような状況では、羽根車に作用する流体トルクに上記の損失トルクを加えたものが、前段羽根車と後段羽根車間で一致することになり、前述したTF=−TRが成立しない。この結果、式(7)はゼロとならずに、設計点においても後段羽根車下流での混合損失が発生することになり好ましくない。トルクバランス機構はこうした不具合を回避するためのものであり、運転条件を考慮しつつ適宜に調整して用いる。
【0024】
図5から図10は、比速度1710(rpm,m3/min,m)における本発明のポンプの設計事例における性能特性を示す。図5から図7はハブ断面における翼列の特性、図8から図10はチップ断面における翼列の特性を示す。すなわち、図5及び図8はトルク特性、図6及び図9は回転数特性、図7及び図10は揚程特性をそれぞれ示す。いずれの場合も理想的な非粘性流れを仮定した時の予想性能特性を示す。なお、図7及び図10において、Ψは無次元ヘッドであり、全ヘッドHを、以下のように羽根車の動圧u2/gで無次元化したものである。
Ψf=Hf/(uf 2/g)
Ψr=Hr/(ur 2/g)
【0025】
内外回転子形電動機の特性として、前段および後段羽根車に作用するトルクは流量変化に対して同一の特性を示す(図5,図8)。羽根車の回転数は、低流量域において後段羽根車の回転数が低下し、大流量域において前段羽根車の回転数が低下し、各羽根車の回転数の総和が一定となる(図6,図9)。この結果、後段羽根車の揚程特性は低流量域において右上がり特性を有するが、前段羽根車の揚程特性は右下がり特性を有し、各羽根車の揚程の総和としてのポンプ揚程特性は右下がりの安定な特性を示す(図7,図10)。
【0026】
図11はモータのトルクスピード特性を表す図で、或る運転状態でTF1+TR1=T1の時の全回転速度をUT1(=UR+UF)とし、TFまたはTRが変動してTF2+TR2=T2 になると、モータのトルクスピード曲線で解るように新しい回転速度UT2に移る。この時のUT1からUT2に移る時間Δtは、モータおよびポンプの全慣性モーメントGD2=(GDM 2+GDP 2)として
Δt=GD2/375・(UT2−UT1)/(Ta2−Ta1) (8)
で決まる(GD2:kgfm2 ,UT:min−1,Ta:kgfmである)。Taは加速トルクで、Ta1=TM−TP1,Ta2=TM−TP2である(TM:モータトルク,TP:ポンプ負荷トルク)。
【0027】
ポンプの異常時にはポンプのトルクがT1からT2に移ると、モータは与えられた電圧(V),周波数(f)で決まるトルクカーブTMにより時間Δtで回転速度はUT1よりUT2に移る。もしこの時間が短い方がよい場合には、図12に示すように回転速度変化率(=dUT/dt)を検出して、電圧を制御することにより(TMは電圧の2乗に比例)達成できる。この変化を模式的に示すと次の通りで、dUT/dt=0になれば元の電圧に戻し、本来安定な点UTにさせることなどモータの設計上TMの形を変えるか、または上記の電圧制御により短時間に不安定現象の回避をすることにより、更に高い安定性のあるポンプとすることが可能である。図12中の破線は電圧を制御しない場合を示し、回転速度が安定するまでの時間Δtが長くなっている。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、内外二重回転子形電動機の備えている特性を活用し、二重反転ポンプにおける低流量域における失速現象の発生と、高流量域におけるキャビテーション現象の発生を自動的に抑制し、より広い運転範囲でのポンプ装置の安定な運転を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の二重反転ポンプの性能特性を説明するための図である。
【図2】 本発明の二重反転ポンプの1つの実施の形態を示す断面図である。
【図3】 本発明の二重反転ポンプの性能特性を説明する速度三角形を表す図である。
【図4】 同じく、本発明の二重反転ポンプの性能特性を説明する速度三角形を表す図である。
【図5】 本発明のポンプの設計事例における性能特性(ハブ面の翼列のトルク特性)を示すグラフである。
【図6】 本発明のポンプの設計事例における性能特性(ハブ面の翼列の回転数特性)を示すグラフである。
【図7】 本発明のポンプの設計事例における性能特性(ハブ面の翼列の揚程特性)を示すグラフである。
【図8】 本発明のポンプの設計事例における性能特性(チップ面の翼列のトルク特性)を示すグラフである。
【図9】 本発明のポンプの設計事例における性能特性(チップ面の翼列の回転数特性)を示すグラフである。
【図10】 本発明のポンプの設計事例における性能特性(チップ面の翼列の揚程特性)を示すグラフである。
【図11】 本発明の実施の形態のポンプのモータのトルクスピード曲線を示すグラフである。
【図12】 本発明の実施の形態のポンプのモータにおける時間と電圧及び回転速度変化率を示すグラフである。
【符号の説明】
1 ポンプ部
2 前段羽根車
3 後段羽根車
4 駆動モータ部
5 内側回転子
6 外側回転子
7 付加慣性モーメントと風損調節装置
C 継手部
Claims (4)
- ポンプケーシング内に互いに周方向逆向きに回転する一組の羽根車が同軸に配置されたポンプ部と、
内外二重回転子形電動機を有する駆動モータ部とを備え、
前記一組の羽根車はそれぞれ前記駆動モータ部の内外の各回転子に結合されて駆動され、
内側回転子に接続された羽根車系と外側回転子に接続された羽根車系との慣性質量を調整するための質量調整機構が設けられていることを特徴とするポンプ装置。 - 内側回転子に接続された羽根車に作用する駆動トルクと、外側回転子に接続された羽根車に作用する駆動トルクとをバランスさせるトルクバランス機構が設けられていることを特徴とする請求項1記載のポンプ装置。
- 羽根車に作用するトルクの変動に対して羽根車回転数を変化させてポンプの運転状態を安定化する制御機構が設けられていることを特徴とする請求項1又は2記載のポンプ装置。
- 前記制御機構は、羽根車に作用するトルクの変動に対する羽根車回転数の変化の敏感さを示す感度パラメータを制御要因として使用することを特徴とする請求項3に記載のポンプ装置。
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JP28541699A JP4245240B2 (ja) | 1999-10-06 | 1999-10-06 | ポンプ装置 |
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JP28541699A Expired - Fee Related JP4245240B2 (ja) | 1999-10-06 | 1999-10-06 | ポンプ装置 |
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Cited By (1)
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1999
- 1999-10-06 JP JP28541699A patent/JP4245240B2/ja not_active Expired - Fee Related
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